太子河姚家橡膠壩改造為水力自控翻板閘門設(shè)計(jì)

宋玉強(qiáng)

(本溪市觀音閣輸水工程建設(shè)管理局，遼寧本溪117022)

太子河姚家橡膠壩改造為水力自控翻板閘門設(shè)計(jì)

宋玉強(qiáng)

(本溪市觀音閣輸水工程建設(shè)管理局，遼寧本溪117022)

本溪市對(duì)城市河道景觀建設(shè)提出了新要求和新內(nèi)容?！扒嗌健⒈趟?、藍(lán)天”工程是全市建設(shè)的主題。在加強(qiáng)堤防建設(shè)，滿足防洪要求的同時(shí)，加強(qiáng)了城市河道景觀建設(shè)，為人們提供休閑場(chǎng)所，對(duì)河道進(jìn)行綜合開發(fā)利用。本溪市太子河城市段內(nèi)修建了6座攔河壩，形成了河道綿延數(shù)公里的優(yōu)美水上景觀。文章介紹了一座由橡膠壩改造成水力自控翻板閘門的設(shè)計(jì)。

橡膠壩;改造;設(shè)計(jì);壩型選擇;水力自控翻板閘門;技術(shù)措施

0 前言

太子河自東向西橫貫本溪市區(qū)，全長(zhǎng)26.85 km。2003—2006年，本溪市水務(wù)局完成了堤防建設(shè)24.17 km，改擴(kuò)建4處濱河公園，新建6道攔河壩，分別為團(tuán)山子、彩屯、溪湖、姚家、小堡、威寧攔河壩，其中姚家和小堡攔河壩為原橡膠壩改造為水力自控翻板閘門。

姚家橡膠壩始建于90年代初期，為充水式橡膠壩，隨著太子河綜合整治工程建設(shè)，姚家橡膠壩壩袋已嚴(yán)重老化，且年運(yùn)行管理費(fèi)用較高、回水區(qū)長(zhǎng)度不能滿足綜合整治的要求，本溪市水務(wù)局將姚家橡膠壩進(jìn)行改造，改造后壩型為水力自控翻板閘門［1］。

1 姚家橡膠壩簡(jiǎn)介

1.1 姚家橡膠壩工程概況

原姚家橡膠壩工程等級(jí)為Ⅴ等，其主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，次要建筑物及臨時(shí)建筑物級(jí)別為5級(jí)。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，校核洪水位標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。

原姚家橡膠壩為充水式橡膠壩，原設(shè)計(jì)壩長(zhǎng)為184.7 m，設(shè)計(jì)壩高2.5 m，共分為3 跨，每跨60 m，共設(shè)兩個(gè)中墩，墩寬 0.8 m，左岸設(shè)有2.3 m ×1.5 m調(diào)節(jié)閘門。

左岸翼墻長(zhǎng)59.8 m，右岸翼墻長(zhǎng)63.4 m，設(shè)計(jì)河底高程105.90 m，壩底板高程106.20 m，左岸翼墻頂高程109.20 m，右岸翼墻頂高程112.43 m，底板、中墩及翼墻均為C25、F200鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，右岸建有管理泵房［2］。

1.2 姚家橡膠壩存在的問題

改造前姚家橡膠壩主要存在以下4個(gè)方面的問題:

1)橡膠壩袋老化嚴(yán)重，充水、排水設(shè)施(水泵、控制閥門、管路等)，設(shè)備陳舊，太子河姚家段為本溪市城區(qū)段，下游戲水及垂釣魚者較多，一旦出現(xiàn)壩袋破裂造成后果嚴(yán)重。

2)橡膠壩袋管理維護(hù)比較困難，易老化，破損，冬季不能蓄水。

3)橡膠壩在使用中發(fā)生中部壩頂下凹的現(xiàn)象。

4)運(yùn)行管理費(fèi)用較高，約10萬元/a。

2 改造設(shè)計(jì)

2.1 壩型選擇

太子河綜合整治工程中，共建了6道攔河壩，壩型均為水力自控翻板閘門。翻板閘門的工作原理是杠桿平衡與轉(zhuǎn)動(dòng)，具體來說，水力自控翻板閘門是利用水力和閘門重量相互制衡，通過增設(shè)阻尼反饋系統(tǒng)來達(dá)到調(diào)控水位的目的:當(dāng)上游水位升高則閘門繞“橫軸”逐漸開啟泄流;反之，上游水位下降則閘門逐漸回關(guān)蓄水，使上游水位始終保持在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)［3］。

這種壩型主要具有以下特點(diǎn):

1)最顯著特點(diǎn)是洪水運(yùn)行期間靈活、安全、而且節(jié)省人力、物力，管理方便，防洪、泄洪準(zhǔn)確且及時(shí)。

2)運(yùn)行過程不需要任何動(dòng)力設(shè)施，節(jié)約了能源。

3)原理獨(dú)特、作用微妙，泄洪時(shí)閘門頂部、底部同時(shí)出水，能及時(shí)排出淤積的泥沙和大量飄浮物，保持河道的清潔。

4)門體為預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，僅支承部分為金屬結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過程不產(chǎn)生任何“三廢”污染，維修方便，費(fèi)用低。

5)由于該閘門表面是預(yù)制混凝土，與橡膠壩易老化和鋼閘門的易腐蝕相比，水力自控翻板閘門對(duì)河道水質(zhì)不產(chǎn)生任何污染。

6)由于能準(zhǔn)確自動(dòng)調(diào)控水位，自動(dòng)起閉，運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性良好，就當(dāng)前水資源短缺，對(duì)于合理使用和利用水資源有其獨(dú)到之處。

7)蓄水后景觀效果較好，起到了城市配套工程的協(xié)調(diào)作用。

2.2 設(shè)計(jì)原則

工程設(shè)計(jì)原則為:

1)工程等級(jí)與原姚家橡膠壩工程相同，工程等級(jí)為Ⅴ等，其主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，次要建筑物及臨時(shí)建筑物級(jí)別為5級(jí)。

2)由于工程為改造工程，為減少工程投資，應(yīng)盡可能利用原建筑結(jié)構(gòu)及有建筑物。

3)滿足防洪要求。

4)與太子河綜合整治整體景觀相適應(yīng)［4］。

2.3 工程布置

工程布置主要有6個(gè)方面內(nèi)容:

1)保留原橡膠壩上游拋石防沖槽、混凝土鋪蓋、壩底板、下游消力池、海漫、下游拋石防沖槽。

2)保留原右岸翼墻，加高左岸翼墻。

3)保留原左岸調(diào)節(jié)閘門，對(duì)閘墩及胸墻進(jìn)行加高處理。

4)新建右岸3.0 m×3.5 m調(diào)節(jié)閘門。

5)新建翻板閘門中墩0.8 m厚，長(zhǎng)度同原閘墩。

6)考慮到翻板閘門單跨過長(zhǎng)，過流后對(duì)門板的震動(dòng)影響較大，將整個(gè)翻板閘共分3跨布置，閘門高3.0 m，單扇翻板閘門為3 m×7 m;共布置25扇翻板閘門，第1跨、第3跨均布置8扇翻板閘門，長(zhǎng)度均為56.2 m(含側(cè)止水0.2 m)，第 2跨布置 9扇翻板閘門，長(zhǎng)度為63.2 m(含側(cè)止水0.2 m)，左岸調(diào)節(jié)閘寬度3.1 m，右岸調(diào)節(jié)閘寬度4.4 m，改造后壩長(zhǎng)184.7 m，與原壩長(zhǎng)相同。改造后布置詳見圖1。

2.4 主要技術(shù)措施

主要的技術(shù)措施有以下6個(gè)方面:

1)對(duì)原壩底板加厚處理后，在底板處開鑿翻板閘門支墩、浪柴墩預(yù)留坑，閘門安裝后，澆筑二期混凝土。

2)為減少對(duì)原底板破壞，采用人工拆除原有中墩。

3)混凝土澆筑前，對(duì)原底板進(jìn)行鑿毛處理。

4)加厚底板、新建中墩、新建調(diào)節(jié)閘，采用在原底板按設(shè)計(jì)配筋間距鉆孔，在孔內(nèi)預(yù)埋錨筋，預(yù)埋錨筋達(dá)到強(qiáng)度后，與新架設(shè)的鋼筋焊接，澆筑混凝土后底板整體性更好，并使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

圖1 姚家橡膠壩改造工程上游立面圖

5)過流計(jì)算中，設(shè)計(jì)流量選用《本溪市太子河威寧橋至姚家綜合整治工程》中流量成果。設(shè)計(jì)流量表見表1。

表1 工程區(qū)太子河設(shè)計(jì)流量表 m3/s

過流計(jì)算，采用的公式為:

式中:Q為泄流量，m3/s;n為閘孔數(shù)，25孔;σs為淹沒系數(shù)，當(dāng)HS/H≤0.57，σs=1.0;當(dāng)HS/H ＞ 0.57 ，;hs為下游水位高于門下固定壩頂?shù)母卟?H為壩上水頭，m;σc為側(cè)收縮系數(shù);ψ為行近流態(tài)影響系數(shù);W為行進(jìn)流速折減系數(shù)。

按“湖南水電公司”提供經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:

式中:H0為包括行近流速水頭的壩上水頭;即:H0=H+V2/2g;Q單為廠家表中對(duì)應(yīng)流量，m3/s;b為單扇閘門寬度，m;a為閘門全關(guān)時(shí)鉛垂高，m。

計(jì)算水位流量關(guān)系圖，翻板閘門斷面圖見圖2。

由水位流量關(guān)系曲線查得各設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下水位，見表2。

圖2 翻板閘門斷面圖

表2 翻板閘門設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算表

由于設(shè)計(jì)左岸二階臺(tái)地高程113.76 m，右岸翼墻頂高程為112.43 m，且建有太子河防洪堤頂高程117.10 m，因此改造工程滿足防洪要求。

6)穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—2001)規(guī)定，采用計(jì)算公式為:

式中:Kc為沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);f為閘基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，可按表7.3.10規(guī)定采用(0.5);∑G為作用在閘基上的全部豎向荷載，kN;∑H為作用在閘基上的全部水平向荷載，kN。

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足規(guī)定，閘基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值見表3。

表3 閘基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值

閘基穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 閘基穩(wěn)定計(jì)算

工程改造后，經(jīng)計(jì)算，壩體抗滑穩(wěn)定滿足要求。

3 橡膠壩改造為水力自控翻板閘的優(yōu)點(diǎn)

由于改造工程在原有壩基上進(jìn)行，與新建工程相比，主要存在以下優(yōu)點(diǎn):

3.1 節(jié)省工程投資

姚家橡膠壩改造為水力自控翻板閘工程總投資額為325萬元。新建太子河上同等規(guī)模水力自控翻板閘門投資約為610萬元，改造工程與新建相比，節(jié)省土石方開挖0.3萬m3，節(jié)省混凝土澆筑0.4萬m3，節(jié)省投資285萬元;從節(jié)省投資角度來看，改造工程節(jié)省投資效果明顯。

3.2 縮短建設(shè)工期

姚家橡膠壩改造為水力自控翻板閘總工期3個(gè)月，新建太子河上同等規(guī)模水力自控翻板閘門總工期為5個(gè)月，改造工程與新建相比可以縮短2個(gè)月工期。

3.3 資源得到充分利用

在姚家橡膠壩改造為水力自控翻板閘工程中，原橡膠壩部分結(jié)構(gòu)，如:上游拋石防沖槽、混凝土鋪蓋、壩底板、下游消力池、海漫、下游拋石防沖槽等得到充分利用，避免了資源浪費(fèi)及重復(fù)投資，原橡膠壩充水泵房改為太子河河道管理所，也得到了充分的利用［5］。

3.4 節(jié)省運(yùn)行管理費(fèi)用

翻板閘門的檢修只需每年汛前或洪水過后對(duì)閘門的金屬件(如螺栓)逐個(gè)檢查，如遇螺栓松動(dòng)時(shí)應(yīng)旋緊，保證運(yùn)行安全，每2 a左右對(duì)閘門金屬件(除不要求或不見光時(shí)部分)進(jìn)行防銹漆處理，每3～5 a更換閘門止水橡皮，以維護(hù)閘門長(zhǎng)久運(yùn)用。翻板閘門同橡膠壩相比較，每年可以節(jié)省管理費(fèi)用10萬元左右。

4 工程運(yùn)行情況

本溪市姚家橡膠壩改造工程，于2007年4月10日開始動(dòng)工興建，同年7月10日結(jié)束?？⒐ず笞詣?dòng)翻板閘門關(guān)閉蓄水，形成水深3 m，回水長(zhǎng)度2 000 m，蓄水量為90萬 m3，回水面積60萬 m2的水面，經(jīng)過7 a運(yùn)行，經(jīng)歷多次洪水考驗(yàn)，運(yùn)行情況良好。

工程運(yùn)行后，蓄水后形成人工湖泊，在太子河河道內(nèi)蓄起一片人工水面，增加當(dāng)?shù)氐乃萘亢蜐穸戎笖?shù)，改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)小氣候，美化環(huán)境，成為本溪市民娛樂、健身、觀光的好去處，為山城百姓營(yíng)造良好的休閑場(chǎng)所。

同時(shí)，工程與兩岸濱河公園自然風(fēng)貌相結(jié)合，使太子河城區(qū)段生太景觀得到延續(xù)和升華，帶動(dòng)了姚家新區(qū)的建設(shè)和及房地產(chǎn)開發(fā)，取得了良好的社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。實(shí)景圖見圖4。

圖4 太子河人工湖泊實(shí)景圖

5 結(jié)語

以上介紹了姚家橡膠壩改造翻板閘工程，充分利用原橡膠壩部分結(jié)構(gòu)，同新建同類工程相比，在滿足原有功能要求的基礎(chǔ)上，降低了投資，縮短了工期，節(jié)省運(yùn)行及管理費(fèi)用，取得了生態(tài)效益和社會(huì)效益，建議在今后類似改造工程中推廣使用。

［1］王霞，唐德善，趙洪武，等.太子河流域水資源供需分析［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2005，11(09):542-545.

［2］劉亞鳳.橡膠壩在水利工程中的應(yīng)用［J］.水利科技與應(yīng)用，2005(01):57，59.

［3］劉健，許輝.橡膠壩自動(dòng)化控制淺析與實(shí)施［J］.小水電，2007(02):40-42.

［4］邵強(qiáng)，吳永政.橡膠壩改造成平板閘閥的結(jié)構(gòu)處理［J］.東北水利水電，2000，18(08):10-11.

［5］吳立新.溪口水電站擋水建筑物技術(shù)改造的實(shí)踐［J］.小水電，2009(06):43-44.

Hydraulic Automatic Flap Gate Design for Yao Jia Rubber Dam Renovation Project on Taizihe River

SONG Yu-qiang
(Benxi City Guanyinge Water Diversion Project Construction Management Bureau，Benxi 117022，China)

Benxi city puts forward new requirements and new content on the landscape construction of urban river.“The green mountains，clear water，blue sky”project is the theme of the construction in the city.To meet the requirements of flood control embankment construction，at the same time，the construction of city river landscape is strengthened，offering leisure place for people，the river comprehensive development and utilization.6 dams were built on city river section in Benxi Taizihe River，forming a beautiful water landscape stretching miles along the urban river bank.This paper introduces the design of a hydraulic automatic flap gate transformed from rubber dam.

rubber dam;renovation;design;selection of dam type;hydraulic automatic flap gate;technology measures

TV644

B

1007-7596(2014)05-0041-04

2013-11-26

宋玉強(qiáng)(1979-)，男，遼寧本溪人，工程師。